Химики оптимизировали керамический материал для водородной энергетики

12:15, 8 февраля 2023

На основе нового материала можно создавать топливные элементы и электролизеры [фоторепортаж]

Коллектив ученых Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН и Уральского федерального университета получил керамический материал для водородной энергетики. Химикам удалось синтезировать, исследовать и улучшить характеристики слоистого станната бария. Этот материал можно использовать в топливных элементах и электролизерах, с помощью которых генерируется водородная или электрическая энергия. Процесс синтеза и химические характеристики материала ученые описали в статье в Journal of Alloys and Compounds. Исследование поддержало Минобрнауки России (проект № 075-03-2021-051/5).

«Мы исследовали малоизученный на сегодня слоистый материал станнат бария с точки зрения его использования в высокотемпературных устройствах. Приготовили образцы и выяснили, что при длительном хранении на открытом воздухе он частично начинает распадаться на оксиды. Стабильность нам удалось повысить добавлением лантана, но не устранить проблему полностью. Однако, так как материал в целом обладает достаточно хорошими электронно-проводимыми характеристиками, его, безусловно, можно использовать в прикладных целях, если исключить его контакт с воздухом. Для понимания — к примеру, литийсодержащие компоненты в литий-ионных аккумуляторах тоже используются изолированно, так как при контакте с воздухом возгораются», — поясняет соавтор исследования, заведующий лабораторией водородной энергетики УрФУ Дмитрий Медведев.

Станнат бария — оксид из бария и олова, прозрачный полупроводник с протонной, смешанной ионно-электронной или тройной проводимостью. Последние годы он привлекает внимание ученых и разработчиков из-за своих характеристик: высокой подвижности носителей заряда, химической и температурной стабильности, оптической прозрачности. При этом его характеристики можно оптимизировать за счет введения в материал разных компонентов, что и удалось сделать уральским химикам.

Отметим, в лаборатории водородной энергетики УрФУ синтезируют новые материалы и исследуют свойства недавно открытых, которые в будущем могут применяться в электрохимических устройствах — электролизеры, топливные элементы — для водородной энергетики. Данные материалы являются «сырьем» для электродов, электролитов, которые будут элементами устройств для преобразования энергии. Так, электролизеры преобразуют электрическую энергию в химическую, на выходе получается водород. Топливные элементы — наоборот: водородное топливо преобразовывают в электрическую энергию.

«Если, к примеру, мы говорим о твердооксидных высокотемпературных топливных элементах, то они работают при температурах 700 градусов Цельсия. Их нерационально использовать в автомобилях на водородном топливе, но они могут быть востребованы на заправках для таких автомобилей. Проблема в том, что водород летуч, и его транспортировка в баллонах опасна. Поэтому водород можно производить сразу на заправочных станциях с помощью такого электролизера. Это одно из направлений применения таких материалов», — поясняет директор научно-исследовательского института водородной энергетики УрФУ Павел Першин.

Кроме того, водород востребован на металлургических предприятиях, которым также могут пригодиться подобные установки. Топливные элементы можно устанавливать в местах, где затруднена электрификация — в полях, удаленных деревнях, домохозяйствах.

Справка

Уральские химики работают над созданием новых и оптимизацией известных материалов не первый год. Так, осенью 2022 года в УрФУ создан научно-исследовательский институт водородной энергетики. Он стал площадкой для масштабного проекта «Материалы и технологии для водородной и ядерной энергетики» в рамках программы «Приоритет-2030». В составе института функционируют три лаборатории: электрохимических устройств и материалов, водородной энергетики и совместная лаборатория функциональных материалов на основе стекла.

Основным направлением исследований научной лаборатории электрохимических устройств и материалов является разработка материалов для ресурсосберегающих и энергоэффективных систем преобразования, накопления и сохранения энергии. Для этого сотрудники лаборатории проводят эксперименты по электрохимическому синтезу материалов и многослойных структур с управляемой морфологией и улучшенными эксплуатационными характеристиками. Исследования выполняются под руководством Андрея Суздальцева.

Специалисты второй лаборатории работают над созданием материалов для топливных элементов и электролизеров для водородной энергетики. Материалы для устройств водородной энергетики — сложнокомпонентные системы, состоящие из нескольких веществ, преимущественно из оксидов металлов. Варьируя количество того или иного компонента, добавляя или наоборот извлекая, можно изменять свойства этих материалов — проводимость, теплопроводность и другие, чем и занимаются химики. Работы выполняются под руководством Дмитрия Медведева.

В лаборатории функциональных материалов на основе стекла разрабатывают составы и технологии нанесения стеклогерметиков для твердооксидных электрохимических устройств. Работой руководит Николай Шардаков.

Конечной целью всех лабораторий является повышение доли использования возобновляемой энергии, сохранение избыточной энергии, сокращение углеродного следа и повышение технологического суверенитета страны.